用廢舊電池和溫室氣體能產(chǎn)生負(fù)負(fù)得正的效果嗎？華中科技大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院夏寶玉教授團(tuán)隊(duì)做到了。他們利用回收的廢舊電池將二氧化碳轉(zhuǎn)化為具有高經(jīng)濟(jì)價(jià)值的甲酸，并打破多項(xiàng)世界紀(jì)錄。1月31日，團(tuán)隊(duì)研究成果“質(zhì)子交換膜系統(tǒng)中持久的CO2轉(zhuǎn)化”在《自然》刊發(fā)。
在電解二氧化碳獲得的二十余種產(chǎn)物中，甲酸具有顯著的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，在燃料電池、醫(yī)藥領(lǐng)域等都有廣泛用途。高效獲得高純甲酸，不僅能夠消耗二氧化碳，還能創(chuàng)造可觀的經(jīng)濟(jì)效益。夏寶玉團(tuán)隊(duì)朝著這個(gè)研究方向，歷時(shí)近五年，創(chuàng)建了質(zhì)子交換膜二氧化碳電解系統(tǒng)，讓甲酸的生成率超過(guò)93%，并能連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行5000小時(shí)以上，在多項(xiàng)指標(biāo)上打破世界紀(jì)錄。
二氧化碳電解系統(tǒng)及其電化學(xué)性能
團(tuán)隊(duì)的研究數(shù)據(jù)為何能“遙遙領(lǐng)先”？與眾多研究不同的是，團(tuán)隊(duì)采用酸性電解液完成了這一系統(tǒng)。當(dāng)前電催化二氧化碳還原技術(shù)中，研究者使用的電解液大多呈堿性，相當(dāng)一部分二氧化碳會(huì)被堿性電解液吸收并生成大量碳酸鹽在電極表面沉積，大幅降低轉(zhuǎn)化效率和壽命。“采用酸性電解液就能夠極大提升轉(zhuǎn)化效率。”這是團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新提出的一項(xiàng)解決方案。“然而，許多催化劑不耐酸腐蝕，難以高效穩(wěn)定地進(jìn)行還原反應(yīng)。”研究過(guò)程中，團(tuán)隊(duì)主要成員房文生不斷嘗試，巧妙地利用回收來(lái)的廢舊電池獲得了一種鉛基耐酸腐蝕的二氧化碳還原電催化劑。全新的反應(yīng)機(jī)理讓二氧化碳在電解過(guò)程中只產(chǎn)生甲酸和少量氫氣的同時(shí)，還實(shí)現(xiàn)了極高的轉(zhuǎn)化效率。不僅如此，這種性能優(yōu)越的催化劑還能夠?qū)崿F(xiàn)公斤級(jí)甚至噸級(jí)的量產(chǎn)，以滿足工業(yè)化的需求。
實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中團(tuán)隊(duì)又遇到了新的問(wèn)題——電解系統(tǒng)的壽命遠(yuǎn)不能達(dá)到工業(yè)化應(yīng)用需求。通過(guò)深入研究，團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)借助水來(lái)完成氧化反應(yīng)會(huì)生成陽(yáng)極副產(chǎn)物，腐蝕系統(tǒng)中關(guān)鍵部件——質(zhì)子交換膜，進(jìn)而影響整個(gè)電解體系的性能與壽命。在能源化學(xué)領(lǐng)域多年的研究經(jīng)驗(yàn)讓夏寶玉產(chǎn)生了“以氫氣替換水”的想法。這不僅有效避免了質(zhì)子交換膜的腐蝕，大幅提高穩(wěn)定性和使用壽命，還極大地減少了系統(tǒng)的耗電量，團(tuán)隊(duì)收獲了意想不到的效果。解決種種困難后，團(tuán)隊(duì)對(duì)反應(yīng)器件構(gòu)造進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，最終實(shí)現(xiàn)了在3.6V槽壓下20A電流的低能耗高效益電解反應(yīng)，并能夠連續(xù)運(yùn)行5000小時(shí)以上。
“這一技術(shù)具有可觀的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。”夏寶玉說(shuō)。團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的二氧化碳電解反應(yīng)器能在高效穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)面積與產(chǎn)量的40倍放大。按照當(dāng)前市場(chǎng)成本估計(jì)，每電解產(chǎn)生1噸甲酸將獲得244美元盈利，并有望實(shí)現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用。
在電解二氧化碳獲得的二十余種產(chǎn)物中，甲酸具有顯著的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，在燃料電池、醫(yī)藥領(lǐng)域等都有廣泛用途。高效獲得高純甲酸，不僅能夠消耗二氧化碳，還能創(chuàng)造可觀的經(jīng)濟(jì)效益。夏寶玉團(tuán)隊(duì)朝著這個(gè)研究方向，歷時(shí)近五年，創(chuàng)建了質(zhì)子交換膜二氧化碳電解系統(tǒng)，讓甲酸的生成率超過(guò)93%，并能連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行5000小時(shí)以上，在多項(xiàng)指標(biāo)上打破世界紀(jì)錄。
二氧化碳電解系統(tǒng)及其電化學(xué)性能
團(tuán)隊(duì)的研究數(shù)據(jù)為何能“遙遙領(lǐng)先”？與眾多研究不同的是，團(tuán)隊(duì)采用酸性電解液完成了這一系統(tǒng)。當(dāng)前電催化二氧化碳還原技術(shù)中，研究者使用的電解液大多呈堿性，相當(dāng)一部分二氧化碳會(huì)被堿性電解液吸收并生成大量碳酸鹽在電極表面沉積，大幅降低轉(zhuǎn)化效率和壽命。“采用酸性電解液就能夠極大提升轉(zhuǎn)化效率。”這是團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新提出的一項(xiàng)解決方案。“然而，許多催化劑不耐酸腐蝕，難以高效穩(wěn)定地進(jìn)行還原反應(yīng)。”研究過(guò)程中，團(tuán)隊(duì)主要成員房文生不斷嘗試，巧妙地利用回收來(lái)的廢舊電池獲得了一種鉛基耐酸腐蝕的二氧化碳還原電催化劑。全新的反應(yīng)機(jī)理讓二氧化碳在電解過(guò)程中只產(chǎn)生甲酸和少量氫氣的同時(shí)，還實(shí)現(xiàn)了極高的轉(zhuǎn)化效率。不僅如此，這種性能優(yōu)越的催化劑還能夠?qū)崿F(xiàn)公斤級(jí)甚至噸級(jí)的量產(chǎn)，以滿足工業(yè)化的需求。
實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中團(tuán)隊(duì)又遇到了新的問(wèn)題——電解系統(tǒng)的壽命遠(yuǎn)不能達(dá)到工業(yè)化應(yīng)用需求。通過(guò)深入研究，團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)借助水來(lái)完成氧化反應(yīng)會(huì)生成陽(yáng)極副產(chǎn)物，腐蝕系統(tǒng)中關(guān)鍵部件——質(zhì)子交換膜，進(jìn)而影響整個(gè)電解體系的性能與壽命。在能源化學(xué)領(lǐng)域多年的研究經(jīng)驗(yàn)讓夏寶玉產(chǎn)生了“以氫氣替換水”的想法。這不僅有效避免了質(zhì)子交換膜的腐蝕，大幅提高穩(wěn)定性和使用壽命，還極大地減少了系統(tǒng)的耗電量，團(tuán)隊(duì)收獲了意想不到的效果。解決種種困難后，團(tuán)隊(duì)對(duì)反應(yīng)器件構(gòu)造進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，最終實(shí)現(xiàn)了在3.6V槽壓下20A電流的低能耗高效益電解反應(yīng)，并能夠連續(xù)運(yùn)行5000小時(shí)以上。
“這一技術(shù)具有可觀的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。”夏寶玉說(shuō)。團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的二氧化碳電解反應(yīng)器能在高效穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)面積與產(chǎn)量的40倍放大。按照當(dāng)前市場(chǎng)成本估計(jì)，每電解產(chǎn)生1噸甲酸將獲得244美元盈利，并有望實(shí)現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用。
